【文章內(nèi)容簡介】 小區(qū)的實際布線設計難度太大；遠距離通信時，RS485芯片容易損壞。 M_BUS 總線是歐洲新型的儀表總線，是由德國 Paderborn 大學的 Ziegler 和德國Techem AG 公司、Texas Intrument 公司共同開發(fā)的，基于 ISO/OSI 模型四層模型，用到了其中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層和應用層，其中數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議采用 IEC870標準，應用層協(xié)議采用 EN14343 標準。在歐洲，M_BUS 總線由于其特有的總線供電模式而被廣泛的應用于水、電、氣遠程抄表系統(tǒng)，并且由于其實時性相對較好可以廣泛用于智能化控制總線和火災報警系統(tǒng)。M_BUS 通信高速穩(wěn)定（2400m，可靠傳輸波特率為 4800bps） 、靜態(tài)功耗低、可接入站點容量大、使用普通雙絞線、抗干擾能力強、總線拓撲任意、預留多種通信協(xié)議，擴展極為方便。傳統(tǒng)的 RS485 數(shù)據(jù)集中系統(tǒng)傳輸速度慢、實時性差、安裝麻煩、抗干擾能力弱等已經(jīng)難以適應現(xiàn)現(xiàn)代數(shù)據(jù)集中的要求，而基于 M_BUS 總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)集中器具有所有 M_BUS 的優(yōu)點。并且，傳統(tǒng)的 RS485數(shù)據(jù)集中器一般只是針對某種總線傳輸?shù)倪M行設計，當工業(yè)生產(chǎn)中數(shù)據(jù)傳輸總線接口發(fā)生改變時，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)由于接口不匹配，不能適應現(xiàn)有的總線接口，導致原有的 RS485 數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)不能使用，造成工業(yè)生產(chǎn)的浪費，不利于企業(yè)發(fā)展 [2,3]。針對傳統(tǒng) RS485 數(shù)據(jù)集中器的不足，研究和討論了一種新的數(shù)據(jù)集中系統(tǒng)的設計工程碩士學位論文5方案。系統(tǒng)采用綜合設計的思想，提出了一種具有多通信接口的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計方案，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結合了嵌入式工控模塊 T2387（LPC2387 集成在工控模塊中）、M_BUS 總線、Profibus 總線、CAN 總線、中繼器技術、以太網(wǎng)技術；以 ARM 微處理器 LPC2387 為核心，M_BUS 為數(shù)據(jù)采集總線，將采集到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過核心芯片處理后，可通過 Profibus 總線、以太網(wǎng)口、CAN 總線傳輸?shù)较鄳目偩€上，實現(xiàn)多種總線上數(shù)據(jù)的傳輸。另外，由于該系統(tǒng)設計有中繼接口，所以該系統(tǒng)還可以作為中繼器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在 M_BUS 主站與從站之間的遠距離通信。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展現(xiàn)狀隨著微型計算機技術、智能控制技術和嵌入式技術的不斷進步，數(shù)據(jù)集中器也得到了長足的發(fā)展。工業(yè)化生產(chǎn)的過程中，需要將工業(yè)數(shù)據(jù)通過傳感器或者其他采集裝置采集，然后通過數(shù)據(jù)集中器上傳至相應的數(shù)據(jù)傳輸通道，便于實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理等，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)從源端到目的端的數(shù)據(jù)交換?？梢哉f，數(shù)據(jù)傳輸是工業(yè)生產(chǎn)不可或缺的一個部分，所以數(shù)據(jù)集中器就顯得尤為重要。數(shù)據(jù)集中系統(tǒng)產(chǎn)生于上個世紀 50 年代，由美國率先運用在軍事上，將采集到的偵察數(shù)據(jù)進行集中后在傳輸?shù)奖O(jiān)控室，這一數(shù)據(jù)傳輸技術運用在軍事領域，為軍事情報部門提供了準確實時的作戰(zhàn)數(shù)據(jù)。這標志著二次世界大戰(zhàn)之后，美國已經(jīng)將信息傳輸技術率先運用在軍事領域，并且將在日后取得了不斷的突破。20 世紀 70 年代，隨著微計算機技術的發(fā)展，微計算機技術與數(shù)據(jù)傳輸相融合，將用傳統(tǒng)方法不能實現(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸采用新的技術手段，成功的實現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸，使得數(shù)據(jù)傳輸技術上了一個新的臺階。20 世紀 90 年代到今天，由于大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展，數(shù)據(jù)集中器的成本得到降低，節(jié)省了印刷板的空間，數(shù)據(jù)集中器已經(jīng)可以由原來的體積大、智能化程度低逐漸轉變?yōu)轶w積小，智能化程度高。特別是隨著嵌入式技術的出現(xiàn)，可以將一塊體積很小，功能很強大的芯片應用于各種智能化的系統(tǒng)，這一技術應用在數(shù)據(jù)傳輸領域，使得原先數(shù)據(jù)集中系統(tǒng)的功能增加，擴大了數(shù)據(jù)集中器的運用場合。我國目前及今后的一段時間內(nèi)，數(shù)據(jù)集中器將得到飛速的發(fā)展，原先的數(shù)據(jù)集中器沒有 MCU，僅僅由收發(fā)電路和傳輸接口組成，由于高速 ARM、DSP、FPGA 和大容量的存儲芯片的出現(xiàn)，將使得數(shù)據(jù)集中器不僅僅具有數(shù)據(jù)處理能力，還可以將數(shù)據(jù)進行存儲，進而進一步處理、而且強大的上位機開發(fā)軟件也慢慢和數(shù)據(jù)集中系統(tǒng)結合起來，如 JAVA 等，使得數(shù)據(jù)集中和監(jiān)控有機結合，更加方便現(xiàn)場工作人員對數(shù)據(jù)的分析和掌握。數(shù)據(jù)集中系統(tǒng)近年來也逐漸向高精度、高速化、網(wǎng)絡化、模塊化、通用化的方向發(fā)展。而且隨著工藝等方面的改進，成本和價格將會下降，使得數(shù)據(jù)集中系統(tǒng)運用更加普及到普通工業(yè)領域。另一方面，數(shù)據(jù)集中系統(tǒng)采用 SoC 、ARM 、DSP 等嵌入式微處理器、RS485 雙多通信接口的 M_BUS 主站/中繼器的設計與實現(xiàn)6絞線、CAN 總線和 Profibus 總線等，支持多種通信接口，可廣泛運用于工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸和控制等領域。同時，伴隨著局域網(wǎng)技術的飛速發(fā)展，一個工廠管理層局域網(wǎng)和車間層局域網(wǎng)的底層設備網(wǎng)絡能夠連接到一起，這樣可以通過這些網(wǎng)絡將多臺數(shù)采設備有效的聯(lián)接在一起，實現(xiàn)在線對生產(chǎn)設備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的實時采集和監(jiān)控。 相關通信接口的簡介 M_BUS 總線簡介M_BUS 總線，全稱 Meterbus,是一種專門用于各類儀表或裝置的遠程讀數(shù)或讀取相關信息的網(wǎng)絡系統(tǒng)結構。采用遠程讀數(shù)的歐洲抄表總線標準，廣泛運用于水、電、氣等部門的遠程抄表系統(tǒng)，這種總線對樓宇自動化事業(yè)及相關的應用有著極端的重要作用?，F(xiàn)階段我國建設部門推廣的水、電、氣三表合一，采用的就是這種總線標準。M_BUS 總線有著其顯著的特點：兩根雙絞線或電纜實現(xiàn)無極性遠程數(shù)據(jù)傳輸。主機可遠程供電給從機。結構拓撲簡單?？偩€長度可以達到 1km。主從式半雙工數(shù)據(jù)傳輸。將 M_BUS 儀表總線用于各類消費性相關裝置，可將相關數(shù)據(jù)或信息編碼收集并傳遞至 M_BUS 主站，然后再通過各 類方式傳送至上位機進行相應的處理，這樣可以實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)的實時采集、巡檢和監(jiān)控等功能 [4,5,6]。M_BUS 總線構成的抄表系統(tǒng)應用于居民小區(qū)，則可實現(xiàn)遠程計量、抄表、報警、智能化的控制和管理等，M_BUS 總線的運用對于構建智能化住宅小區(qū)和公共事業(yè)管理部門的現(xiàn)代化建設具有重要的意義。M_BUS 通信是由主機發(fā)起通信，從機應答，從機之間沒有信號傳輸，從機之間通過地址編碼區(qū)分。M_BUS 總線主機對從機 36V 的電壓供電，并通過總線遠程傳輸數(shù)據(jù)給從機，主機到從機的信號傳輸采用電壓調節(jié)方式，即 36V 代表邏輯 1；24V 代表邏輯 0。主機通過在 M_BUS 總線上不斷的改變電壓值將信號傳輸?shù)?M_BUS 從機。V m a r k = 3 6 VV s p a c e = 2 4 VS p a c e = 0 M a r k = 1tM a s t e r t o S l a v e圖 主機到從機傳輸?shù)臄?shù)據(jù)碼流M_BUS 從機到主機之間的信息傳輸采用的是電流調制。一般在設計 M_BUS 從機的時，可選用等過 Texas Instruments 公司生產(chǎn)的 TSS721 芯片作為從機的收發(fā)芯片。工程碩士學位論文7TSS721 是根據(jù) M_BUS 通信標準（EN14343）制作的終端收發(fā)芯片， TSS721 由M_BUS 總線供電和數(shù)據(jù)傳輸，具有抗極性顛倒能力，它與從機的微處理器之間可以有多種連接方式，對從機微處理器的供電方式多種多樣，有總線供電方式、電池供電方式和后備電池供電方式。從機到主機的數(shù)據(jù)交換采用的是電流調制，從機中 TSS721 向主機發(fā)送的是一系列的電流脈沖。在穩(wěn)態(tài)時，從機和主機無數(shù)據(jù)交換式，每個從機消耗掉電流為 ，該電流值表示邏輯 1；當從機向主機傳輸邏輯 0 時，由從機增加一個 11～20mA 的電流，總線上的電流消耗就增加了 11～20mA，這樣主機很容易檢測到邏輯 0 信號。M_BUS 總線數(shù)據(jù)鏈路S p a c e = 0 M a r k = 1tI m a r k = 1 . 5 m AI s p a c e = ( 1 1 2 0 m A )S l a v e t o m a s t e r圖 由從機向主機傳輸?shù)模娏鳎?shù)據(jù)碼流層規(guī)定：M_BUS 數(shù)據(jù)傳輸為 11 個字節(jié)，其中 1 位起始位，8 位數(shù)據(jù)位，1 位數(shù)據(jù)校驗位和 1 位停止位。圖 為 M_BUS 總線的比特流傳輸格式。M_BUS 的數(shù)據(jù)鏈路層傳輸協(xié)議基于 IEC 870 5，M_BUS 數(shù)據(jù)鏈路岑協(xié)議采用的是異步串行的傳輸方式 , 傳輸?shù)拿總€字節(jié)有 8 個位，8 位之前加上一個起始位和之后加上一個校驗位和一個結束位構成十個位來傳輸，總線在靜止狀態(tài)的時候為高電平，用邏輯 1(MARK)表示 ，因此每個字節(jié)的起始為必須為低電平，即邏輯 0( SPACE) ，結束位為高電平，即邏輯1(MARK)表示該字節(jié)的信息的結束 [7,8]。作為 M_BUS 從設備到 M_ BUS 總線的接口電路，TSS721 大大降低了從節(jié)點的設備成本。 TSS721 不僅可以按照 MBUS 總線規(guī)范來收發(fā)數(shù)據(jù)，還具有從設備與微處理器之間的電平轉換電路，用來實現(xiàn)微處理器和從節(jié)點設備的通信。另外，TSS721 還具有總線電壓故障指示和極性接反的保護等功能。12 3 456 7 8效驗位停止位起始位數(shù)據(jù)位 （ 1 — 8 ）圖 M_BUS 比特流傳輸格式 Profibus 總線簡介現(xiàn)場總線是一種連接智能現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)的開放式、數(shù)字化雙向多點通信多通信接口的 M_BUS 主站/中繼器的設計與實現(xiàn)8的底層控制網(wǎng)絡 [9]。Profibus（Process Fieldbus）是面向工廠自動化、流程自動化的一種國際性的現(xiàn)場總線標準，是一種具有頭廣泛應用范圍的、開放的數(shù)字通信系統(tǒng)，適合于快速、時間要求嚴格和可靠性要求高的各種通信任務，基于分布式控制思想發(fā)展而來的、最初的設計構想是基于擴展的 MAP/MMS 標準的思想，建立一個基于客戶/服務器結構的、面向對象的、使用能夠與工廠上下各層的工業(yè)通信系統(tǒng)。在德國，有 90%的工廠自動化檢測和控制設備上都配有 Profibus 的標準接口。憑借這 Profibus 標準中涵蓋了各種需求的各個自己規(guī)約的優(yōu)勢，如 DP、PA、P rofi 等，其技術已經(jīng)發(fā)展到了全面成熟的階段，Profibus 產(chǎn)品覆蓋了 各行各業(yè)。Profibus 總線自 1997 年進入中國后，市場發(fā)展非常迅速。據(jù) CPO 對北京周邊 300多家企業(yè)的調查結果顯示，Profibus 的市場占有率為 40%～50%，而在全國市場至少有30%～ 40%以上的占有率。Profibus 是唯一全集成 H1 和 H2 的現(xiàn)場總線解決方案，是一種不依賴制造商的開放式總線標準。目前國際上通用的現(xiàn)場總線標準之以其獨特的技術特點、嚴格的認證規(guī)范、開放的標準、眾多廠家的支持和不斷發(fā)展的應用行規(guī)已成為最重要的現(xiàn)場總線技術。Profibus 總線的特點是不同制造商生產(chǎn)的設備不用對接口進行特別的調整就可以直接通信，且特別適用于高速且對時間要求比較高的復雜通信場合。Profibus 按照應用范圍可以劃分為 [10,11,12]：Profibus_FMS、Profibus_DP 和Profibus_PA。四個版本雖然應用場合不同，但是版本兼容。ProfibusFMS 主要解決車間級通行任務，完成中等速度的循環(huán)和非循環(huán)通信任務，廣泛用于電氣傳動、傳感器、紡織工業(yè)和樓宇自動化，一般構成實時多主網(wǎng)絡系統(tǒng)。Profibus_DP 是一種優(yōu)化的高速通信連接，用于自動可控制系統(tǒng)和設備及分散 I/O 只見到通信設計，還可用于分布式控制系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸。Profibus_PA 數(shù)據(jù)傳輸采用擴展的 Profibus_DP 協(xié)議，另外還是用了描述現(xiàn)場設備行為的 PA 規(guī)范，并可以使使現(xiàn)場設備通過總線供電，采用分段耦合器，Profibus_PA 設備可以很方便的集成到 Profibus _DP 網(wǎng)絡上。一般Profibus_FMS 和 Profibus_DP 一起使用,有三種類型傳輸方式:DP 和 FMS 的 RS485 傳輸、PA 的 ICE11582 傳輸和光纖傳輸。DP 和 FMS 的 485 傳輸技術：RS485 采用屏蔽的雙絞線，共用一根導線對，適用于需要高速傳輸和設備簡單而又便宜的各個領域。在不使用中繼器時，每段最多有 32各站點，使用中繼器最多可以擴展到 127 個站點?？偩€的傳輸速率可選用 到12Mbps，一旦設備投入運行，全部設備據(jù)需選用同一個傳輸速率。電纜的可靠傳輸距離與傳輸速率有著很大的關系，見表 :表 電纜長度與傳輸速率的關系波特率（kbit/s ） 500 1500 12022距離/m 1200 1200 1200 1000 400 200 100工程碩士學位論文9PA 的 IEC11582 傳輸技術：IEC11582 傳輸技術可以滿足石油化工的要求，可保證本質安全性和現(xiàn)場設備通過總線供電 [13]。IEC11582 是一種位同步協(xié)議，可進行無電流的數(shù)據(jù)連續(xù)傳輸。在沒有使用中繼器時，每段最多有 32 個站；使用中繼器時，最多可以有 126 個站點。傳輸速率為 。光纖傳輸技術：在電磁干擾很大的場合，一般運用光纖傳輸數(shù)據(jù)。一種專用的總線插頭可以將 RS485 信號轉換成光纖信號或者是將光纖信號轉換成 RS485 信號，這使得在同一系統(tǒng)中，可同時使用 RS485 和光纖傳輸技術。為了使不同的設備生產(chǎn)廠家的從站設備能夠很方便的掛接在 Profibus 總線上進行通信，必須創(chuàng)建一個 GSD 文件，GSD 文件以電子文檔形式記錄了對應從站設備的各種參數(shù)，從某種意義上來說，GSD文件是從站設備的一個電子版使用說明書，用戶在實際上創(chuàng)建一個 Profibus 應用系統(tǒng)時，由組態(tài)軟件工具在主站上讀入該從站設備